测试系统接口技术和总线技术.pptx

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1、DnyDnx模拟信号 y(t)模拟信号 x(t)A/D转换器数字信号处理器D/A转换器3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术3.1 A/D转换技术 A/D转换器是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，即能把被测量对象的各种模拟消息变成计算机可以识别的数字信息，它是模拟系统和数字系统或计算机之间的接口。模拟-数字转换基本过程图3-1 模拟-数字转换基本过程第1页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-A/D-A/D转换过转换过程程1 1图3-2 A/D转换过程1、A/D转换过程第2页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-A/D-A/D转换转换过程

2、过程2 21、A/D转换过程(1)采样连续信号在时间上的离散化u采样方法：每隔一定时间TS,从连续信号中抽取一个瞬时数据。u采样定理：fS=2fmu采样保持：为后续的量化过程保持信号一段时间。图5-40 采样保持器（S/H）原理(2)量化采样后的模拟量在幅值上的离散化u量化方法：将模拟量与一模拟基准量进行比较，就如用砝码称重一样。u量化增量(3)编码u编码的目的：将量化后的规定范围内的有限个值的数字量，用0、1两个符号转换成二进制数码。第3页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原转换原理理1 1常用A/D转换器转换原理 A/D转换器的种类很多，按其转换原理分，主要有逐次

3、逼近式、积分式、计数式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强，转换精度高，性能价格比高的特点，常用于数字式测量仪表或非高速数据采集过程中；逐次逼近式转换器兼顾了转换速度和转换精度两方面的指标，是测试系统中应用最广泛的A/D转换器件；并行A/D转换器的转换速度最快，但结构复共、成本高，适合转换速度极高的场合。计数式AD转换器结构很简单，但转换速度也很慢，目前很少采用。第4页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原转换原理理2 2(1)计数式A/D转换器u计数式A/D转换器的工作原理 让采样后的模拟信号电压直接与一标准模拟电压进行比较，若相等，则输入电压即

4、转换成标准电压所对应的数字量输出。u计数式A/D转换器的特点 对每个采样值都要从计数器低位开始从头计数逐渐逼近，因而转换速度慢，且对不同模拟输入，转换时间不同。结构简单、工艺性好，易于集成。图5-42 计数式A/D转换器原理第5页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原理转换原理3 3(2)逐次逼近式A/D转换器u逐次逼近式A/D转换器工作原理 逐次逼近式A/D转换器也是利用电压比较原理，但由于初始标准模拟电压取为全量程的一半，即计数器从高位开始，逐位比较，因而转换速度大大提高，而且要求转换的精度越低，速度越快。比较于计数式A/D转换，实现了算法上的优化。第6页/共74页

5、3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原理转换原理4 4(3)双积分式A/D转换器u双积分式A/D转换器的工作原理 采用间接转换方式工作，先将模拟电压转换成时间量，然后再将时间量转换为数字量。实际上是一种V/T(电压时间)转换器。主要电路是积分器，还有比较器、正负基准电压源、控制电路、计数器和时钟脉冲。三个工作阶段：积分（充电）、反积分（放电）和结束阶段 工作原理：在固定时间（T1）内对积分器中的电容充电，在时段T2中对电容放电，记录放电时间T2，它和充电电压（比较器上所加的待转换电压）成正比。u双积分式A/D转换器的特点第7页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术

6、-转换原理转换原理5 5(3)双积分式A/D转换器u双积分式A/D转换器的工作原理u双积分式A/D转换器的特点第8页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原理转换原理6 6第9页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原理转换原理7 7(4)并行式A/D转换器u特点：并行式A/D转换器是一种转换速度最快，转换原理最只管的A/D转换技术，它克服了N位逐次逼近式A/D转换完成一次转换需要进行N次比较的缺点，大大提高了A/D转换的速度。u8路并行式A/D转换器原理结构（图3-4）由电阻分压网络、比较器、段鉴别“与”门、编码电路等组成。u并行式式A/D转换器的

7、工作原理 同时建立多路比较电路，一次性完成多量值比较，统一编码，形成转换数字量。相当于一次性完成多种量值砝码的称重。转换器系统结构复杂，对N位并行式A/D转换器，分压电阻网络需要2N个分压电阻、2N个比较器和段鉴别“与”门，因此制造困难，成本高，只用于对转换速度要求极高的系统。第10页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-转换原理转换原理8 8表3-1 多种A/D转换原理比较转换转换形式形式转换精度转换精度转换速度转换速度结构形式结构形式其它性能其它性能应用场合应用场合逐次逼近式逐次逼近式较高较高较快较快兼顾速度和精兼顾速度和精度两方面的指度两方面的指标标测试系统中应测试系统

8、中应用最广泛用最广泛积分式积分式高高较慢较慢抗干扰能力强，抗干扰能力强，性能价格比高性能价格比高常用于数字式常用于数字式测量仪表或非测量仪表或非高速数据采集高速数据采集过程过程计数式计数式慢慢简单简单目前很少采用目前很少采用并行式并行式较高较高最快最快最直观最直观精度高时制造精度高时制造困难、成本高困难、成本高转换速度要求转换速度要求极高的场合极高的场合第11页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-性能指标性能指标1 1转换器主要技术指标(1)分辨力 指A/D转换器可转换成二进制数的位数或BCD码的位数，也可认为是A/D转换器可转换成数字量的最小电压。分辨的输入模拟电压相对值

9、表示。例如，8位的ADC0809，转换满量程5V的电压，其分辨率为1LSB，用百分数表示为：用可转换的最小电压表示为：可见，A/D转换器的位数越多，分辨率就越高，但转换速度就越慢。第12页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-性能指标性能指标2 2(2)转换精度u出现误差的原因：模拟误差(比较器、电阻值以及基准电压波动)+数字误差(失码误差和量化误差)模拟误差由器件质量决定，为非固定误差；数字误差和ADC位数有关。u 转换精度的实质：全量程的相对误差(3)转换时间与转换速度u转换速度的定义：A/D转换器完成一次转换所需时间。u转换速度越快越好，特别是对动态信号采集。u常见的A

10、/D转换速度：超高速型（转换时间 1ns）、高速型（转换时间 1us）、中速型（转换时间 1ms）和低速型（转换时间 1s）。u影响转换速度的因素：A/D转换原理和位数u转换速度对最高采样频率的限制采样定律 第13页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-性能指标性能指标3 3(4)量化误差 *产生原因：有限数字对模拟数字进行离散取值而引起 *衡量单位：数字量的最低有限位(1/2LSB)*提高分辨率可减少量化误差(5)电源抑制比(PSRR)*反映了A/D转换器对电源电压变化的抑制能力u注意：分辨率和量化误差参数仅对A/D过程，而转换精度是相对A/D转换器的整个过程而言，量化误差

11、仅是转换误差中的一种。第14页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-选择原则选择原则 转换器的选择原则 *重点考虑分辨率和转换时间两个重要参数 (1)根据测试系统的总误差要求，遵循系统误差分配原则，确定A/D转换器的精度和分辨率。(2)根据系统使用范围、被测信号的变化率以及转换精度，确定A/D转换器的转换时间。(3)根据计算机接口电路特征，选择A/D转换器的输出状态。如：串行输出还是并行输出；输出数字代码形式；参考电压采用内部还是外加的、是固定的还是可调的等。(4)根据A/D转换器的工作条件选择芯片的一些环境参数，如工作环境温度、湿度、电源电压稳定度、芯片功耗、可靠性等级等。

12、(5)要综合考虑成本、资源及芯片的来源等因素。第15页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口方接口方法法1 1转换器与微处理器的接口方法1.AD转换器接口的任务 A/D转换器与微处理器的接口，要实现ADC与CPU的双向信息交互，般要充成以下几个操作；(1)发转换启动信号。(2)取回“转换结束”状态信号：该信号可作查询的依据，或利用它产生“中断请求”或“DMA请求”。(3)读取转换数据：当得到转换结束信号后，在CPU控制下，采用查询方式或中断方式将数据读入内存，或者在DMA控制下，直接读入内存。(4)进行通道寻址：对具有多路模拟量输入通道的系统需要通道寻址以选择相应的模拟量

13、输入通道。(5)发S/H控制信号：对高速信号进行AD转换时，一般需要设置采样保持器、所以接口要对采样保持器发控制信号，以进行采样/保持操作。第16页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口方接口方法法2 22.AD转换器接口形式 根据AD转换器接口电路结构形式，ADC芯片与CPU接口有如下几种：(1)与CPU直接连接：内部带有数据输出锁存器和三态门，如AD574A、ADC0809、ADC08016等。它们的数据输出端可以直接与CPU的数据总线相连。这种接口电路简单，成本低，是目前应用较多的A/D转换器接口。(2)利用三态门与CPU连接:需外接三态门锁存器，才能与CPU相连。

14、(3)通过I/O接口芯片与CPU连接，无需附加电路，简化接口设计。(4)DMA传送数据：在接口板上增加RAM，采用DMA数据传送方式，直接将ADC板数据传输到计算机的RAM中，适合高频的大数据量传送，可减小系统总线占有率，提高CPU工作效率并可增强数据传送可靠性。(5)集成A/D转换芯片的单片微机，如Intel8096系列高档单片机。第17页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口电路设接口电路设计计1 1常用A/D转换器及接口电路设计(1)8位单片逐次逼近式A/D转换器ADC0801(2)8位8输入逐次逼近式A/D转换器ADC0809u性能指标：采用+5V电源，工作时钟典

15、型值为640kHz，转换时间为100us，分辨率为8位，总失调误差为1LSB；模拟量输入电平范围为0-5V，不需零点和满度调节；内部具有8通道选择开关，可输入8路模拟信号；数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。u内部结构：主要由8路模拟选择开关、地址锁存与译码器、A/D转换器和三态输出锁存器等。u引脚功能：28脚双列直插式封装。包括模拟信号输入线8条、地址线3条、数字量输出线8条、控制线4条、电源及其它5条。u与MCS-51的硬件连接(3)12位A/D转换器AD574A第18页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口电路设接口电路设计计2 2第19页/共74页3.1

16、A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口电路设计接口电路设计3 3第20页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口电路设接口电路设计计4 4uADC0809与MCS-51的硬件连接：外部时钟利用8031地址锁存器允许信号ALE经触发器分频后接到ADC0809的 CLOCK输入端数据线与地址线复用P0口通过外接一片地址锁存器将其分离，从而构成8位数据总线和16 位地址总线的低8位；ADC0809具有通道地址锁存功能，故模拟输入通道地址的译码输入ADDA/ADDAB/ADDC由P0.0P0.2直接提供。A/D后的数字量输出直接与8031的数据总线相连ADC0809具有“三态输

17、出数据锁存器”8031采用中断方式读取ADC0809的转换数据EOC线经反相器和8031的INT1线相连。第21页/共74页3.1 A/D3.1 A/D转换技术转换技术-接口电路设计接口电路设计5 5第22页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口串行通信接口概述u系统之间的信息交换即所谓通信。常用的通信方式有并行通信和串行通信两种。目前计算机系统中常用串行通信，由于计算机内部数据传送采用并行通信，若要实现计算机和外部设备之间的串行通信就需要种接口电路完成串行-并行数据传送方式的双向转换，这种接口电路称为串行接口。u串行通信接口的工作过程和特点 计算机在接收数据时，由串行接口沿着一条

18、传输线一位一位地接收数据当一帧数据接收完后，由串行接口将串行数据转换为并行数据供CPU读取；当计算机发送数据时，由CPU把数据传送给串行接口，再由申行接口通过一条传输线在发送时钟的触发下一位位地把数据传送出去。串行通信所用的传输线少并可借助现成的电话网进行信息传输，特别适合远距离通信。所以串行接口已成为微机自动测试系统的必需部件和接口。第23页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-数据传送方数据传送方式式1 1数据传送方式 按照同一时刻数据流的方向可分为全双工、半双工和单工三种方式。1.全双工传送方式 在通信系统中，当数据的发送和接收分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同

19、时刻进行发送和接收操作，这样的传送数据方式称为全双工传送方式，如图3-13所示。全双工传送方式无须方向的切换，数据传送效率高。回波计算机(CPU)串行接口终端设备发送字符图3-13 全双工通信方式第24页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-数据传送方数据传送方式式1 12.半双工传送方式 在通信系统中，根传输线既作数据输入又作数据输出虽然数据是双向传送，但通信双方不能同时收发数据，这种传输方式称为半双工传送方式如图3-13所示。在半双工传送方式下，要进行输入输出的双向传送，必须设置通信链路的“换向逻辑”，进行方向的转换。分时进行发送、接收计算机(CPU)串行接口终端设备图3-1

20、3 半双工通信方式第25页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-串行通信方式串行通信方式1 1串行通信方式 根据时钟控制方式不同串行通信分为：异步串行通信方式和同步串行通信方式。1.异步串行通信方式 通信系统的发送与接收设备都使用各自的时钟控制数据的发送和接收；数据通常以字符为单位组成字符帧传送的；异步通信传输格式一般由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成。波特率：1秒钟传输二进制数据的位数(bps，位/秒)，表征串行通信数据传输速度。异步通信的特点；不需传送同步脉冲，字符帧长度不受限制，所需设备简单，但因字符帧格式复杂，降低了有效数据的传输速率。异步通信一般应用在数据传

21、输速率较慢的场合。第26页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-串行通信方串行通信方式式2 2 图3-15 异步串行通信数据传输格式第27页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-串行通信方串行通信方式式3 32.同步串行通信方式 数据传输格式均由同步字符、n个数据字符和校验字符三部分组成。特点：双方使用同一个时钟控制数据的发送与控制；数据格式中没有设置起始位和停止位，而是利用同步字符来完成收发同步，并且数据信息以连续形式发送，传输效率较高。但该种方式通信技术复杂，故一般应用于高速数据传输。第28页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-调制解调器件调制解

22、调器件1 1串行通信中的调制解调器1.传输速率与传输距离 串行接口或终端直接传送数据的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关，一般为30m以内，对远距离传输，一般需加入MODEM，如图3-17所示。第29页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口标准接口标准1 12.MODEM的分类u按工作速度分：高速(波特率9600bps)；中速(1200-9600bps)；低速(600bps)u按调制技术分：相移键控(PSK)、频移键控(FSK)和相幅调制(PAM)u计算机系统中一般采用频移键控方式，即将数字0和1调制为不同频率的两个信号，如图3-18所示。串行通信的接口标准RS-232

23、Cu串行通信接口标准是计算机与外设之间进行串行连接时双方要共同遵循的某种特殊约定或协议。u符合国际电气化标准的串口标准有：RS-232、RS-232C、RS-422和RS-485等。RS-232C是计算机系统中应用最多的串行通信标准，用于数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口。接口标准内容包括机械、电气和协议相容。第30页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口标准接口标准2 2串行通信的接口标准RS-232C1.RS-232C电气特性 使用双极性负逻辑电平，信号电平在(5-15)V和-(5-15)V。2.RS-232C接口信号 标准接口有25根线，采用25芯

24、标准接口(如图3-19)，包括4条数据线、11条控制线、3条定时线以及7条备用和未定义线。实际常用9针的COM接口。实物图片 9针的COM接口第31页/共74页3.2 3.2 实物图片实物图片COMCOM接口接口实物图片 9针的COM接口第32页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口标准接口标准3 32.RS-232C接口信号 TXD(2)：发送数据线，输出，DTE将串行数据发送到DCE。RXD(3)：接收数据线，输入，DTE接收DCE发送来的数据。RTS(4)：请求对方发送信号，输出，高电平有效。CTS(5)：清除发送信号，DCE发送清除发送信号到DTE，响应DTE请求发送

25、要求，表示DCE已处于发送状态且准备发送数据，DTE作好接收数据的淮备。DTR(20)：数据终端准备就绪，此时DCE可以发送数据。DSR(6)：数据设备准备就绪，只用来表示本端的数据设备已连通通信信道。DCD(8)：接收线信号测试。GND(7)：信号地。第33页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口标准接口标准4 43.RS-232C与TTL器件接口 一般的TTL(CMOS)器件使用高低电平表示逻辑状态，而RS-232C使用负逻辑电平，两者不相容，必须进行转换。完成电平转换的常用芯片MAX232，能实现电平的双向转换。第34页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口

26、-接口设计接口设计1 1串行通信的接口电路设计1串行接口形式 目前的单片机内部都含有串行通信接口，可方便实现器件之间或单片机与PC机之间的通信。MCS-51的串行接口是一种异步通信接口，不能用于同步串行通信，但可采用同步/异步接收发送器（USART）器件来扩展串行接口。2串行接口基本任务u串-并转换串行数据和并行数据间的双向转换u串行数据格式化产生不同通信方式下的数据格式u可靠性测试自动生成奇偶校验位u接口与DCE之间的联络控制提供符合RS-232C标准规定的信号线第35页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计2 23常见的接口芯片8251及接口电路(1)8251

27、A的功能特点 8251A是一种高性能串行通信接口，可以和多种单片机或微机连接，具有同步、异步接收或发送功能。(2)8251A的内部结构（图3-20）由接收器、发送器、调制控制、读写控制以及系统数据总线缓冲器5部分组成。内部由内部数据总线实现相互之间的通信。u接收器：从RXD线上串行接收数据，并按规定的格式把串行数据转换成并行数据，经内部总线传送并存放在数据总线缓冲器。u发送器：将并行接收来自发送数据缓冲器中的数据，经TXD线串行发送出去。u数据总线缓冲器：与CPU的数据线相接，用于存放8251A的状态字，使8251A与系统数据总线连接起来。第36页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信

28、接口-接口设计接口设计2 2第37页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计3 3u读/写逻辑控制：用于接收CPU送来的控制信号并进行译码，以实现对8251A的读/写操作控制。u调制控制：实现8251A和调制解调器的直接接口，用于传送8251A与调制解调器之间的应答信号。(3)引脚功能 共有28 个引脚，根据功能分为三组：与CPU接口的信号线、与外设的接口线和电源线。u与CPU接口的信号线（14条）：包括8根双向数据线（D0-D7）等u与外设的接口线（12条）：接收和接收控制线（RXD/RXC/RXRDY/SYNDET）；发送和发送控制线（TXD/TXC/TXRDY

29、/TXE）；与调制器连接的接口信号（DTR/DSR/RTS/CTS）。u电源线（2条）：Vcc接+5V电源，GND接地。第38页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计4 4第39页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计5 5(4)8251A和MCS-51的接口第40页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计6 64电平转换芯片MAX232及接口电路 单片机内部都含有串行通信接口，可方便实现器件之间或单片机与PC机之间的通信。单片机串行口的TTL电平与PC机串行口的RS-232C电平之间转换通常采用MAX23

30、2系列芯片。实物图片MAX232芯片第41页/共74页3.2 3.2 实物图片实物图片MAX232MAX232芯片芯片实物图片MAX232芯片第42页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计7 7(1)MAX232的功能特点 单+5V电源供电功耗低；可以直接实现TTL(COMS)电平与RS232C电平转换；集成度高，外围电路简单，仅外接1个0.1uF去耦电容和4个1uF电容；双发送接收器，有利于多机通信。(2)MAX232的内部结构和引脚功能（图3-23）内部主要由双电荷泵DC-DC电压变换器、RS232C驱动器、RS232C接收器等组成。共有16个引脚。(3)MA

31、X232与MCS-51单片机的接口电路（图3-24）接口电路很简单，只需连接RXD/TXD/GND三线即可。若通信距离短（10m以内），MAX232的驱动能力满足设计要求，可直接连接；若通信距离长，则需在中间加上驱动电路（虚线框内电路），以提高驱动能力。第43页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计8 8第44页/共74页3.2 3.2 串行通信接口串行通信接口-接口设计接口设计9 9第45页/共74页3.3 3.3 总线技术总线技术3.3 总线技术 总线是信号或信息传输的公共路径。总线是实现芯片与芯片之间、模块与模块之间、系统与系统之间以及系统与控制对象之间进行

32、信息传递的各种信号线的集合，它为模块各部件之间和模块与模块之间提供了标准信息通路。u相关的国际组织IEC国际电工委员会IEEE国际电气与电子工程师学会ANSI美国国家标准化学会EIA美国电子工业协会波特率，bpsbit/s 第46页/共74页总线概述总线概述1 1总线概述1.总线结构u微机系统的两种结构 一是以处理器为中心的面向处理机的结构；另一种是以总线为中心的面向总线的结构。u面向处理机的总线结构是将需要交换信息的模块通过总线建立点到点的连接，是当前微机系统的基本形式。2.总线分类(1)按使用范围分：计算机总线、仪器或测控系统总线、网络通讯总线(2)按数据传送方式分：并行总线、串行总线(3

33、)按用途和应用场合分（表3-1）第47页/共74页总线概述总线概述2 2总线类型总线类型主要功能主要功能特点特点标准制定者标准制定者片内总线片内总线微处理器芯片内的总线微处理器芯片内的总线连接微处理器内部的各逻辑功连接微处理器内部的各逻辑功能单元能单元芯片生产厂家芯片生产厂家片间总线片间总线元件级总线，微处理器应用元件级总线，微处理器应用系统中连接各芯片的总线系统中连接各芯片的总线传统的为并行方式，三总线结传统的为并行方式，三总线结构；新发展串行方式构；新发展串行方式Motorola、Philips等大公司等大公司内总线内总线板级总线，微机系统中连接板级总线，微机系统中连接各插件板的总线各插件

34、板的总线通常采用并行方式，如用于个通常采用并行方式，如用于个人电脑的人电脑的PC/XT、ISA、PCI、PCMCIA；用于工业控制的；用于工业控制的STD、VME；用于测控系统和；用于测控系统和仪器的仪器的CAMAC、VXI、PXI行业联盟或行业联盟或ISO组织组织外总线外总线通讯总线，用于微机系统之通讯总线，用于微机系统之间、微机系统与外设之间、间、微机系统与外设之间、微机系统与其他系统之间的微机系统与其他系统之间的通讯通讯常用串行方式，少数采用并行。常用串行方式，少数采用并行。如如RS232、RS485、USB、IEEE1394，用于工业控制的，用于工业控制的现场总线现场总线CAN、LON

35、works，用于测控系统和仪器的用于测控系统和仪器的CAMAC、GPIB等等行业联盟或行业联盟或ISO组织组织表3-1 总线的分类第48页/共74页总线概述总线概述3 33总线系统的优越性 按总线规则，可实现复杂大系统的总线式模块化设计、制造、安装和调试。(1)易于实现模块化硬件设计 整个大系统按总线规则设计成若干功能子系统或功能模块，可以降低系统的复杂程度，提高系统的灵活性，降低系统产品的生产、调试、维修的难度。(2)多厂商产品支持(3)便于组织生产 模块功能较为单一，产品调试和维护也较为简单，便于组织大规模生产，降低产品造价。(4)易于实现系统升级(5)良好的可维护性(6)经济性 第49页

36、/共74页总线概述总线概述4 44.总线的数据传输 总线可传输程序指令、运算处理的具体数据、设备的控制命令、状态字、设备间传输的具体数据等；如何保证数据在总线上高速可靠的传输是系统总线的基本任务。总线完成一次数据传输的时间称为传输周期，一般可分为4个阶段：(1)申请分配阶段 需要使用总线的主模块向总线分配仲裁功能申请下一个传输周期的总线使用权。(2)寻址阶段 取得总线使用权的主模块通过总线发出本次打算访问的从属模块或设备编号的地址及有关命令，以启动参与本次传输的从属模块，建立数据传输通路。(3)传输数据阶段(4)结束阶段：主、从模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线。第50页/共74页总线

37、概述总线概述5 55.总线的数据传输方式 不同的传输方式主要是要实现主从模块间的协调和配合，主要包括同步式传输、异步式传输、半同步式传输和分离式传输。(1)同步式传输u传输过程：主、从模块间的传输周期是固定的。其中每一步骤的起始时刻，主、从模块双方都要严格地按规定的时间完成相应的动作。通常用系统时钟作为各模块动作的时间标准。例如微型计算机系统中的CPU与存储器之间的数据传输就是典型的同步传输方式，它的基本传输周期需要4个时钟周期，分别用T1、T2、T3和T4表示。其时序如图3-25所示。u特点：从时序图可见，同步式传输的特点就是传输周期固定，系统总线在设计时T1、T2、T3和T4的规定明确统，

38、模块之间的配合简单一致，但存在着对所有模块时间配合上强求一致的缺点，使设计缺乏灵活性。第51页/共74页总线概述总线概述6 6第52页/共74页总线概述总线概述7 7(2)异步式传输 同步式传输对总线所连接的模块和设备的速度一致性要求较高，严格限制了系统设计。为了实现不同速度模块的配合，采取异步式传输，即主模块与从属模块之间通过“请求(REQ)”和“应答(ACK)”信号线来协调传输过程而不依赖于系统时钟信号，从而增加了模块选择的灵活性。其操作时序如图326所示。第53页/共74页总线概述总线概述8 8u传输控制过程 以读操作为例：主模块首先将预参加读操作的从模块的地址驱动到地址总线上，然后“R

39、EQ”发出低电平有效的请求信号，表示传输周期开始。总线上的所有从模块收到命令、地址和请求信号后，依照各自可能的响应速度加以识别、判断和选择，被选中的从模块响应清求，将指定地址单元的数据读出并驱动到数据总线上，然后该从模块将“ACK”的高电平降为低电平信号，标识主模块需要的数据已驱动并稳定在数据线上，等待读取。其响应时间取决于被选中的从模块的速度。当主模块测试到“ACK”线上有效低信号后，主模块开始从数据线读取数据，读完后撤除请求信号，使REQ变为无效高电平。从模块测试到“REQ”上升为无效高电平信号时，将数据总线释放，同时将“ACK”信号线变为无效高电平，表示读周期结束。第54页/共74页总线

40、概述总线概述9 9u异步式传输控制特点 异步式传输实质上就是查询传输方式。其特点是“请求”和“应答”的呼应关系完全互锁，保证数据传输的可靠性；数据传输的速度不是固定不变的，有利于同一系统中多种速度模块的协调工作；以各自的最佳可能速度配合运行；但不同速度的模块必须执行相同数据传输步骤，控制复杂，影响效率。(3)半同步式传输u传输控制特点 半同步式传输是结合同步和异步式传输的优点，提出的一种折中方式。它保留了同步传输用系统时钟定时的优点，但为了允许不同速度的模块在同一系统中协调工作，增加了一条“等待”响应信号线。第55页/共74页总线概述总线概述1010u半同步式传输工作过程 对高速设备传输，可以

41、像同步式传输一样，按照既定的时刻传输地址、命令和数据；对低速设备传输，主模块在发出地址和命今后，被选中的从模块因速度较慢，若无法在预定的时刻提供数据，可借助于“WAIT”信号线强制主模块延时并等待整个系统时钟间隔。此后每个时钟周期的固定时刻主模块都要测试“WAIT”信号状态，直至测试到“WAIT”信号线无效信号时，主从模块接着向下执行，直到一个传输周期结束。因此，半同步传输方式是借助“WAIT”信号线信号状态，以达到速度匹配的目的。第56页/共74页总线概述总线概述1111(4)分离式传输u前述三种传输方式的共性：主模块通过总线发出地址和命令后，到从模块将数据驱动到数据总线上之前，是从模块执行

42、读/写命令的准备时间，这段时间内总线处于空闲等待阶段。尤其外设速度很低，或需要随机对外设传输数据时，系统性能会因此受到影响。u分离式传输的基本思想：是将一个读周期分解成两个分离的子周期。在第一个子周期，主模块在获得总线使用权后，发出地址、命令以及主模块的编号等有关信息，由有关从模块接收后，主模块立即放弃总线使用权，以便其他模块使用。被选中的从模块接收到主模块的命令信息，将主模块所需的数据难备好，再申请总线使用权，获淮后将需要传输的数据等信息发送到总线上，由主模块读取。这就是第二传输子周期。第57页/共74页总线概述总线概述1212u分离式传输特点 每一个传输子周期总线上只有单方向的信息流，每个

43、模块既是主模块又是从模块，在信息传输之前都需要先申请总线使用权，获准后采用同步式传送，无须等待对方应答，从而减少了总线占用时间，提高总线利用率和系统效率。分离式传输的缺点是控制复杂，多适用于多处理器系统。第58页/共74页常用的总线标准常用的总线标准1 1常用的总线标准1.MULTIBUS总线 MULTIBUS总线又称IEEE-796总线，是Intel公司1977年开发的板级连接标准总线。MULTIBUS总线支持微处理器和存储器扩展板、I/O扩展板以及外设控制板之间进行的8位或16位数据信息传输。2.GP-IB并行总线 GP-IB(通用接口总线)又称IEEE-488总线，1972年由HP公司提

44、出，1975年被IEEE和IEC定为测量仪器系统的标准总线，目前广泛应用于各种智能测试仪器仪表中。(1)GP-IB总线的基本性能第59页/共74页常用的总线标准常用的总线标准2 2(1)GP-IB总线的基本性能u可采用一条总线互相连接若干台装置，组成一个自动测控系统。总线上连接的装置最多不超过15台。且互连总线的传输路径总长度不超过20m。u数据传输格式采用位并行、字节串行、双向异步传输方式，最大传输速率为1Mbs。u总线信息逻辑采用负逻辑，且高低电平的规定与标准TTL电平兼容。u地址容量。单字节地址和双字节地址两种。u一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场。第60页/共74页常用的总线标准

45、常用的总线标准3 3(2)GP-IB总线的引脚功能u数字化的24脚并行总线。u数据线：根双向数据线DIO DIO，且兼作地址线。u信号交换线：根，用来实现设备 输入输出时的信息交换，通过信 号应答实现异步数据传输。u控制总线：根，用于控制系统状态。u地线：条，其中一条是机壳接地线，其余是信号地。第61页/共74页常用的总线标准常用的总线标准4 4uGP-IB总线的使用：总线上只允许一个主设备，可有多个从设备，连接在总线上的设备统称为器件。在一次数据传输过程中，只能采用对多的数据传送（广播通信）。GP-IB总线共定义了种接口功能，可具有听、讲、控、服务多种功能，配置仪器和系统时，可根据情况选择全

46、部或部分功能。在实际测试系统中，具有GP-IB总线接口的各种设备并行连接在总线上，由微处理器承担总线的信息分配和控制，其连接方式如图328所示。第62页/共74页常用的总线标准常用的总线标准5 53.VXI总线 VXI总线是继GP-IB第二代自动测试系统之后，为适应测试系统从分立台式和装架叠式结构向高密度、高效率、多功能、高性能的模块结构发展需要，吸收智能仪器和PC仪器的设计思想，结合GP-IB接口和高级微机内VME总线的优点，于1987年推出的一种开放的新一代自动测试系统工业总线规范。VXI总线是仪器与计算机技术、通信技术深层次结合的产物，易于构成虚拟仪器等模块化仪器。VME，一种国际通用的

47、工业微机总线标准，支持插卡式仪器。uVXI总线功能特点：共有P1、P2、P3三个连接器。连接器继承了VME总线的机械特性。u总线信号线：按功能可分为组，数据传送总线、仲裁总线、优先级中断总线、共用总线和面向仪器信号线。第63页/共74页常用的总线标准常用的总线标准6 64.PXI总线 是PCI在仪器领域的扩展。1997年由NI公司推出的一种全新的开放式、模块化的仪器总线规范。将PCI总线技术扩展为适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域应用扩展完美结合起来，形成一种新的虚拟仪器测试平台。PXI产品填补了低价位PC系统与高价位G

48、PIB和VXI系统之间的空白。第64页/共74页常用的总线标准常用的总线标准7 7串行总线 RS-232CRS-485USB总线类型总线类型RS232RS485USB最高传输速率最高传输速率20Kbps2Mbps480Mbps最远传输距离最远传输距离15 m1500 m30（通过（通过Hub或中继器）或中继器）安装过程安装过程复杂复杂复杂复杂支持热插拔和即插即用支持热插拔和即插即用接头形式接头形式25针针D型插头、型插头、8根根信号线信号线四芯电缆，一对信号，一对电源，四芯电缆，一对信号，一对电源，采用差分数据结合采用差分数据结合NRZI时钟编时钟编码的方式实现串行传输码的方式实现串行传输可靠

49、性可靠性高高高高较高较高第65页/共74页系列总线系列总线1 1系列总线 PC系列总线的发展：IBM PC/XTISAEISA和PCI局部总线1.PC总线 是指IBM PC/XT机及兼容机使用的总线。IBM PC/XT机系统板有8个62芯扩展槽，可以插入不同功能的插件板来扩展系统功能。连接扩展槽的62根信号线组成了IBM PC/XT机系统总线。62根引脚按功能不同可分为数据线、地址线、控制线、状态线以及辅助和电源线五类。第66页/共74页系列总线系列总线2 22.ISA总线 ISAindustry standard architecture ISA总线是为满足存储器与CPU之间较高的数据传输率

50、要求，而形成的存储器总线与系统总线分开的16位总线，可寻访16MB地址单元。ISA总线的典型时钟频率为6MHz，最大系统总线传输率为8MB/s，存储器传输率为(3280)MB/s。u总线信号定义 ISA总线是在PC总线基础上扩展了一个36线插槽而形成，即扩展槽分成62线和32线两段，共计98引脚。其中62线插槽的引脚排列和定义与PC总线基本相同，只有两个引脚不同。扩展的36线引脚分配如图3-30所示。包括数据线（SD08SD15）、地址线（LA17LA23）、中断请求输入线（IRQ10IRQ15）、DMA请求线、DMA请求应答信号线等。第67页/共74页实物图片实物图片工控机工控机第68页/共